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Los elementos acumuladores almacenan energía en los momentos en que se les aplica un esfuerzo, para liberar posteriormente esta energía y obtener un movimiento sin demasiadas variaciones. Por tanto, es conveniente recordar someramente los esfuerzos simples que existen:
ESFUERZOS
En el análisis de estructuras esfuerzo es la relación entre la fuerza a que se somete un objeto y la sección que resiste esa fuerza. Aunque existen infinidad de formas de aplicar esa fuerza, todas se pueden descomponer en sólo cinco tipos, a saber:
Tracción y compresión
Flexión
Torsión
Cortadura o cizalla
En cursos anteriores se trabajó con estructuras capaces de resistir esfuerzo, y ahora vamos a ver los elementos que acumulan energía cuando se someten a alguno de los tipos básicos, así como los elementos destinados a eliminar esa energía.
MUELLES o RESORTES
Existen diferentes elementos que aprovechan sus propiedades para deformarse elásticamente ante cada uno de los tipos de esfuerzos y recuperar después su forma.
Resortes de tracción y compresión
Son los conocidos muelles helicoidales, formados por aros encadenados de alambre. La deformación elástica se produce porque el alambre realmente se retuerce, acortando o estirando el muelle.
Resortes de flexión
Para este tipo de esfuerzos se utilizan mayoritariamente las ballestas, un conjunto de láminas de acero ordenadas de mayor a menor longitud que se suelen unir a una estructura fija por los dos extremos y mantenen en el centro el elemento sujeto.
Resortes de torsión
Cuando se necesita un elemento elástico a torsión, se dispone de tres posibilidades.
La barra de torsión es una simple barra que se retuerce. Es un método muy utilizado en la suspensión de automóviles de poco peso, por su simplicidad y poco precio.
El resorte espiral es un fleje o lámina de acero que almacena energía al girar un eje. En realidad se almacena energía elástica porque la lámina se flexiona. Este elemento se utiliza en los objetos que se les da cuerda girando una palomilla, como en los antigüos juguetes y relojes.
Por último, el resorte de torsión propiamente dicho, que es similar a un muelle helicoidal que en vez de estirarse, se retuerce:
Para esfuerzos de cortadura
Los elementos sometidos a cortadura suelen ser un problema, debido a que éste no es un esfuerzo que se solucione con piezas tan sencillas como los casos anteriores. Para evitar la deformación por cortadura se utilizan encastres, que son refuerzos de un material resistente. Los únicos elementos elásticos que pueden absorber en parte esa deformación son las juntas de dilatación, que no son más que añadidos de goma o de silicona aplicados en forma de adhesivo.
AMORTIGUADORES
Se tratra de elementos disipadores de energía inseparables de los muelles y resortes, pues evitan el rebote que se produce al liberarse la energía elástica acumulada por aquéllos. Estan formados por una cámara llena de aceite por cuyo interior se desplaza un émbolo con agujeros a través de los que fluye el aceite con cierta dificultad.
Los sistemas de suspensión de los automóviles están formados siempre por un elemento elástico y un amortiguador:
VOLANTE DE INERCIA
Es un disco o una rueda que aporta masa adicional a un sistema que está girando, de modo que se puede aumentar la energía cinética almacenada por el conjunto.
Cada vez que el volante de inercia recibe energía por una aceleración brusca del movimiento rotatorio, esta energía se almacena en forma de energía cinética, aumentándose ligeramente la velocidad de rotación. Por otra parte, cuando cesa el par motor que lo impulsa, el volante continúa su movimiento de giro por inercia.
Esto se traduce en una reducción de las fluctuaciones de velocidad angular, consiguiendo un giro bastante uniforme. Por este motivo, en todas las máquinas con elementos giratorios están provistas de volantes de inercia; por ejemplo, en los motores de automóviles, se acopla al cigüeñal, y en su periferia se tallan unos dientes en los que engranará el motor eléctrico de arranque:
La energía de rotación de un sólido depende de varios factores:
En primer lugar, evidentemente, de la velocidad con que esté girando.
También depende de la masa que tenga.
Además, depende de la distancia a la que esté la masa respecto al eje de giro.
La expresión que rige la energía cinética de rotación es la siguiente:
donde I recibe el nombre de momento de inercia, y su valor depende de la configuración del elemento rotatorio. Su unidad es kg·m² y pulsando aquí aparecerán algunos momentos de inercia básicos. El término ω es la velocidad de rotación, expresada en la unidad del Sistema Internacional, rad/s.
FRENOS
Un freno es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el movimiento de algún cuerpo, generalmente un árbol. Transforman la energía cinética de un cuerpo en calor o trabajo y en este sentido pueden visualizarse como “extractores“ de energía.
Existen frenos eléctricos que son en realidad generadores que transforman la energía cinética en corriente eléctrica que se hace pasar por una resistencia que disipa la energía eléctrica.
Sin embargo, los más extendidos son los frenos de fricción, que actúan mediante piezas fijas de amianto que aplican una fuerza de rozamiento sobre el elemento giratorio, transformando en calor la energía cinética. Por su sencillez y fiabilidad son los más utilizados en los vehículos, y existen varios tipos:
Frenos de cinta o de banda
Utilizan una banda flexible sobre la que están montadas unas zapatas que se abrazan sobre un cilindro giratorio con el eje que se pretenda frenar (pulsa sobre la imagen para ver la animación).
Freno de tambor
Están formados por un tambor o campana que está unido a la rueda o árbol, y contra él se pueden comprimir unas zapatas dispuestas en su interior (pulsa sobre la imagen para ver la animación).
Freno de disco
En este caso, es un disco de acero unido a la rueda o al árbol, y unas zapatas se comprimen contra las caras del disco para realizar el frenado. Es el freno más efectivo de todos y, por su capacidad de eliminar el calor que se puede aumentar mediante taladros radiales, éste es el método más usado en la actualidad (pulsa sobre la imagen para ver la animación).
Ahora bien, debido a que el vehículo carga más sobre el eje delantero durante el frenado, se hace necesario colocar en las ruedas traseras frenos que eviten que las ruedas se bloqueen por falta de peso. Si ésto ocurriera, y alguna rueda derrapa, se pierde el control del vehículo. Por ello, se instalan frenos de tambor que tienen menor rendimiento que los de disco, o sistemas ABS que liberan la presión hidráulica en la rueda que se detenga.
En todos los casos, la fuerza aplicada a las zapatas de freno se transmite desde el pedal que maneja el conductor por medio de un fluido hidráulico, que es un aceite ligero que tiene la propiedad de no evaporarse ni formar burbujas (pulsa sobre la imagen para ver la animación):
CÁLCULO DE LA DISTANCIA DE FRENADO DE UN VEHÍCULO
Un sistema de frenos debe disipar toda la energía cinética del vehículo. Los frenos actúan por rozamiento, así que esa energía cinética será igual al trabajo que realice la fuerza de rozamiento. Ésta se puede calcular como producto de ésta por la distancia que está actuando:
E = FR · d
El rozamiento es un valor que viene dado por el producto del coeficiente de rozamiento multiplicado por la fuerza normal aplicada a la zapata (producida por la presión del sistema de frenos):
FR = μ · N
Así se puede calcular la distancia que está actuando la fuerza de rozamiento. Esta distancia es igual al número de vueltas que da la rueda por la distancia que se recorre en una vuelta:
d = nºvueltas · 2 π r
(r = radio de la circunferencia en que actúa FR)
Calculado el número de vueltas que da la rueda, si se conoce el desarrollo de la misma (distancia que recorre en una vuelta = 2 π R , siendo R el radio de la rueda), se puede calcular la distancia de frenado del vehículo.
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